太阳能材料的研究和发展

太阳能材料的研究和发

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ＦｒｍｏＡｖｎｅａｒｌｏｕｆｄａｅｄＭｔｉｓｅａ

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●沈辉梁宗存李戬洪

１引言

随着人类社会的不断发展，人与自然的矛盾也愈来愈突出。目前全世界范围面临的最为突出自题是环境与能源．即勺

换的缘故从物理角度来讲，黑色意味着光线的几乎全部的吸

收、被吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太

阳能的光热转换，似平用黑色的涂层材料就可满足了，但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量

子物理的理论可知，黑体辐射的波长范围大约在２—１０之Ｄ１ｕ１１间．黑体辐射的强度分布只与温度平波长有关，辐射强度的峰［值对应的波长在１ｍＤ附近。由此可见，太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠。因此要实现最佳的太阳能热转换，所采用

的材料必须满足以下两个条件：①在太阳光谱内吸收光线程度高，即有尽量高吸收率ｄ；＠在热辐射波长范匿内有尽可能低的辐射损失，环境恶化千能源短缺。这个问题当然要通过各国政府采取正确１３的对策来处理发展新材料厦相应的技术，将是解决这一题

最为有效的方法。事实上近年来人们对太阳能材料的研制和利

用，已显示了积极有效的作用。这一新型二能材料的发展．既力可解块人类面临的能源短缺，叉不造成甄境污染。尽管太阳能

材料的成本还较高和性能还有峙进一步提高但随着材料学的不断进步，太阳能材料愈来愈显示了诱人的发展前景。可以预见，在下个世纪，太阳能材料将扮演更为重要的角色就象半导体等功能材料的发展带来电信和计算机产业的兴起和发展

一

即有尽可能低的发射率￡。一般来说，对同一波长而言，材料的吸收率和发射率有同样的数值，即吸收率高贝相应的发射率

也高但吸收率ｄ与反射率Ｙ厦透身率ｔ满足如下关系ａ＋ｖ＋ｔ１＝。对干不透明材料由于ｔ，则ｄ＋ｖＩ而对于黑＝０－样，太阳能材料厦相关技术也将带来太阳能器件的产业化发展，使人类在环境保护和能源利用两方面的午谐达到更加完亡

善的境界。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。为了充分有效地利抖太阳ｊ能，人们发展了多砷太阳能材料。按性能和用途太体上可分为光热转换材料，光电转换材料，光化学能转换材料和光能调控

色物体来说，ＹＤ，则ｑＬ根据以上讨论，可知最有效的

太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内，即＜２５有ｕ

１｛ｖ０即）；而在＾＞２ｍ，即热辐射波长范围内，有Ｄ｛ｖ１即或Ｄ）。一般将具备这一特性的溶层材料稚为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件，如在热辐射

变色材料等。由此而形成太阳能光热利用，光电利用，光化学

能利用和太阳能光能调控等相应技术从目前世界范匿内经济

渡长范围内￡有较大的值，则尽管在太阳光谱ａ，仍有很大１热辐射损失这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部份：红外反射底层

（铜铝等高红外反射比金属）和太阳光谱吸收层（金属化合

发展状况来看，太阳能材料厦相应利用技术是发展最１和最有央

发展前景的高社技产业之一。随着科学技术白不断进步将不勺断地出现更为经济，性能更好的新型太Ｂ能材料。日

物或金属复台材料）。吸收涂层在太阳光波峰值波长｛．０５

ｍ）耐近产生强烈的吸收，在红外波段则自由透过，并借助于

２太阳能光热转换

我们知道，太阳主要以电磁辐射的形式结地球带来光与

热。太阳辐射波长主要分布在０２～２５ｍ５范围内。从光热效

底层的高红外反射特性构成选择性涂层。实际上利用的选择性涂层材

料，多是将超细金属颗粒分散在金属氧化物的基体上形成黑色吸收津层。这通常采用电化学，真空蒸发和磁控溅射等

工艺来实现。

应来讲，太阳光谱中的红外波段直接产生熟效应，而绝大部份光能不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热，主要是我们的衣服和皮肤吸收太阳光线，从而产生光热转

在太阳能热水器上得到广泛应用的太阳能吸热涂屉主要有：磁控溅射涂层，选择性阳极氧化涂层等。从使用和经济角度考虑，除了吸热性能外，还要

产

业

论

坛

新蜡料产业

２０年０１月刊

蒡

求使用寿命要长，生长成本要１等。我国从８年代开始加快了氐Ｄ

太阳能的能量密度低（０Ｗ）约１ｏ／，而且不稳定不连续。用太阳能电池及相应储存技术可太面积采集、储存太阳能，适应于人们工作和日常生活需要。目前太阳能电池，占主导市场的是单晶硅电池。估计不久的将来，多晶硅薄膜电池和非晶硅薄

膜电池会逐步占领市场，并有可能最终取代单晶硅的主导地

在太阳能吸热材料方面的研究＇象清华大学，北京太阳能研究

所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料。所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性，适台应用在工作

温度较高的真空集热管上。研制成功的用于全玻璃真空管上铅—铝太阳光谱选择性吸氨，。近

来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法，所研

位。近年来，随着材料科学的发展，不断有新材料、新工艺出现。象硒铟锢电池成本低，性能稳定也是具有很好发展前景的。此外作为近年来太阳能电池发展的最新成果，纳米晶太阳

化学能电池更展现了太阳能电池的一个新的发展方向。

制的选择性吸收涂层材料向多层化，梯度化发展。如倍受重视

的氮化铝选择性吸收涂层是新一代的吸热涂层的代表。从目前已达到的水平来看，光热转换材料的性能还可进一步提亩－这不仅需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺，还可在津层

的玻璃盖板表面上做文章。如德国某研究所，利用全息照相技

对太阳能电池的发展进程简单地回厩

可让我们进一步了解

材料科学对太阳能利用的至关重要的作用，并对材料研究提出更高的要求。开发太阳能电池必须面临的问题，就是氐生产成本和提高光电转换效率。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。目前国内外生产单晶硅主要采用提拉法和区熔两种工艺。通过现代先进的电池工艺，开发的单晶硅电池可分为平面单晶硅高效电池和